计量方法与误差理论CH3-3-电子计量

第三章各种物理量的测试计量,第1节时间频率计量测试第2节电磁学计量测试第3节电子计量测试第4节温度计量测试第5节光学计量测试第6节其他计量测试（几何、力学、声学、电离辐射、物质的量）,第3节电子计量测试,无线电计量、高频计量、射频和微波计量,电磁计量在频率上的延伸（电子计量现今国际通行的频率覆盖范围为10kHz3000GHz）。,3.1概述,第3节电子计量测试,无线电计量测试，在十大计量专业中，属于参数（参量）最多的专业之一，其基本和比较重要的参数多达20多个。频率范围：几十千赫以上（高频、射频、微波）参数及分类信号能量、信号特性、电磁特性、材料电磁特性、网络特性等特点频率范围宽、量程广、波形多、传输系统复杂、分布参数影响量值传递链较短、测试工作量大于检定工作量,电子计量主要内容,信号强度计量：功率、电压、电场强度,信号特性计量：波形参数、脉冲参数、调制参数、噪声、频谱等,电路参量计量：阻抗、电感、电容、品质因数等,网络特性计量：网络反射参量（反射系数、驻波比等）和传输参量（衰减、相移、群延时等）,材料特性计量：介电常数、磁导率、损耗角正切等,电磁兼容性计量：EMC测试,国家基准或标准主要是研制上述基本参量和部分二次导出参量的国家基准或标准；电子计量科学的最终目的是解决电子测量基准或标准的建立、量值传递和统一问题。,1.长度计量器具2.热学计量器具3.力学计量器具4.电磁学计量器具5.无线电计量器具高频电压标准、同轴热电转换器、微电位计、高频电压表、高频毫伏表、高频微伏表、低频电压标准源、低频电压表、高频电流表、校准接收机、标准信号发生器、调幅度仪、频偏仪、调制度仪、失真度仪检定装置、失真度仪、低失真信号发生器、音频分析仪、脉冲发生器、时标发生器、标准脉冲幅度发生器、脉冲电压表、高频阻抗分析仪、高频标准电阻、高频标准电感、高频标准电容、Q表、高频Q值标准线圈、高频介质标准样片、高频电容损耗标准、高频零示电桥、谐振式阻抗仪、矢量阻抗表、矢量阻抗分析仪、高频电容损耗仪、高频介质损耗仪、高频微波功卒座、高频微波功率计、高频微波功率指示器、高频微波功率计校准装置、衰减器校准装置、衰减器、相位标准、相位计、移相器、相位发生器、微波阻抗标准装置、微波阻抗标准负载、测量线、反射计、阻抗图示仪、网络分析仪、高频微波噪声发生器、高频微波噪声测量仪、标准场强发生器、高频近区标准场装置、微波标准天线、高频场强计、微波漏能仪、测量接收机、干扰测量仪、脉冲响应校准器、晶体管图示仪、晶体管图示仪校准装置、晶体管参数测试仪、电子管参数测试仪、频谱分析仪、波形分析仪、电视综合测试仪，电视参数测试仪、示波器、示波器校准仪、抖晃仪、心电图仪检定装置、脑电图仪检定装置、心脑电图仪、半导体材料工艺参数测量标准、半导体材料工艺参数测量仪、集成电路参数测量标准、集成电路参数测量仪。6.时间频率计量器具7.声学计量器具8.光学计量器具9.电离辐射计量器具10.物理化学计量器具11.标准物质,中华人民共和国依法管理的计量器具,中国计量科学研究院无线电处负责建立、保存、和改进电子计量国家基准或标准，研究精密测量理论与技术，进行国际比对，开展量值传递与提供量值溯源，以保证全国电子计量单位的统一及量值的准确可靠。,3.2高频电压计量,1、高频电压的表征（100KHz）瞬时值、峰值、平均值、有效值波形因数（有效值/平均值）波峰因数（峰值/有效值）2、高频电压标准基本原理：利用它们和直流电压在热电转换元件上产生相同热效应以实现直流替代。不同频段采用不同的热电转换元件和转换方式。小电压（1uV-0.1V）中电压（0.1-2V）大电压（2V以上）,高频电压计量,高频中电压标准(0.1-2V)功率计法、测辐射热器电桥法、补偿式电子管电压表法、真空热电偶法,U：同轴热电转换器输出端面（功率计输入端面）电压P：功率计计量所得到的高频功率值R：功率计输入阻抗优点：借助于功率标准，较好的准确度缺点：必须知道各种频率下精确的输入阻抗,功率计法（适合做国家计量标准）英国、加拿大建立国家标准的方法,高频电压计量,测辐射热器电桥法（适合做国家计量标准）美、俄、日和我国建立国家标准的方法（P178F8.3.1）（1）测辐射热器电桥：测热电阻（高频电压计量敏感元件）,高频电压计量,（2）直流平衡电桥：高频和直流功率替代的平衡装置，判断交直流引起的阻值变化是否相等。,原理：根据热变电阻（测辐射热器）在通过直流电流或射频电流时，如果两者所加的功率相同，则产生的热效应也相同。如果用一电桥线路监视热变电阻，则可以通过直流量替代射频量的方法计算出射频电压。,直流替代法,高频电压计量,测辐射热方法：频率范围宽、准确度高、性能稳定、结构简单、加工方便，是现代高频电压计量的技术基础。,低频替代法,高频电压计量,主要用于标准计量器具（传递标准和工作标准）。补偿式电子管电压表法,有了中电压标推，小电压标准利用标准精密衰减器将中电压标准降低至毫伏与微伏量级而得到小电压标准。,在所有的高频电压标准装置中，中电压标准的精度最高。世界各国的高频电压国家标准都是中电压标准，中电压标准的水平反映了高频电压的计量水平。,补偿式电子管电压表法和真空热电偶法,高频电压计量,高频小电压标准使用标准精密衰减器将中电压标准降低至毫伏与微伏量级得到小电压标准。用于确定接收机的灵敏度和本机噪声等指标。作为工作标准的主要有校准接收机和高频微伏标准两种形式。,高频电压计量,校准接收机（P178F8.3.1）校准高频信号发生器（100KHz30MHz的高频、30300MHz的甚高频信号发生器）的小电压输出和高频衰减器,射频振荡器+测热辐射器电桥,高频电压计量,高频微伏标准电流小电阻方式，提供精确的高频小电压，可直接校准电压表。适合做成工作标准和比对用的传递标准,高频电压计量,高频电压计量,3.高频电压的检定,标准源给出不同频率范围内各量程的准确度指标，检定亦应在相应的频率和量程上进行。将各检定结果进行误差（不确定度）合成，求出不同频率范围内的准确定指标。,计量标准源,被检校准源,高频电压计量,a、电压基本误差检定,基本误差检定频率通常选择1kHz，电压按量程选择，例如，0.1V量程的0.1V点；1V量程的0.2V、0.4V、0.6V、0.8V、1V，也可按用户要求选择。误差计算如下：,：基本误差,：被检校准源输出电压,：标准源示值,思考：误差类型？不确定度？,高频电压计量,b、频率附加误差检定,如：用微电位计在mV量程上进行检定,方法：,高频电压计量,从以上检定过程可以看出，这是“固定标准读被检”的频率附加误差检定方法，其频率附加误差按下式计算：,：毫伏量程的频率附加误差,：参考频率点时各毫伏量程上被检源输出示值,：不同频率点时各毫伏量程上标准源示值,（各频率点误差合成）,高频电压计量,c、输出稳定度检定,输出电压稳定度的高低是衡量计量仪器性能的重要指标，只有高稳定度才能为高准确定提供保障,输出电压稳定度的检定可采用高分辨力标准源在规定时间（国产仪器短期稳定度的规定时间为15min）观察各选定频率点上输出电压的相对变化。,如测量15min短期稳定度，可取1min作为一个间隔，每分钟测量一次，记下校准源输出电压示值，则被检校准源短期稳定度Su计算如下：,：预调电压的实测值,：规定时间内输出电压最大值,：规定时间内输出电压最小值,高频电压计量,d、电压不确定度的合成,将基本误差、频率附加误差、稳定度进行不确定度合成得到仪器的电压参数的不确定度。,e、其它指标的检定和不确定度合成,除检定上述项目外，还应检定频率误差、波形失真等指标，这些检定项目的检定方法同电压检定相类似。,以上项目需按照检定规程完成,高频电压计量,4、其它高频电压计量方法测力法利用与电流或电磁场相关的一些物理现象，根据测力原理实现电压计量。检波法检波后用直流电压表进行测量检波-放大式、放大-检波式峰值检波、均值检波、有效值检波补偿法将高频电压通过检波转换成直流电压，并与已知的直流补偿电压相比较，从而得出相应的高频电压。与检波法略有区别。DVM,高频电压计量,补偿计量法：,补偿式电压表是测量或检定信号发生器的输出电压或电子电压表测量误差的主要标准仪器。补偿式电压表由高频检波探头、直流补偿电路和检流计等部分组成。,测量交流电压时，调节补偿电路的直流电压使通过检波二极管的平均电流不变，或调节检波二极管阴极电阻使阴极偏压固定不变，从而用直流电压或电阻确定相应的被测交流电压。,低频高频电压量值传递关系,溯源性,检定规程,3.3功率计量,在直流和低频场合，用电压和电流的概念便可方便表征传输能量的大小，但在高频和微波频段，由于工作波长可以和被测装置尺寸相比，因此电流和电压缺乏唯一性定义，用电压来表示信号是没有实际意义的。而功率参量可以直接表征高频和微波能量的传输特性，并可以用各种不同的方法进行测量。在波导传输的微波系统中，不能计量电压小功率、中功率（10mV10W）、大功率功率计量原理：高频或微波能量转化成热、力、直流或低频电量等能量形式。热效应功率计、力效应功率计、霍尔效应功率计等功率探头（功率传感器，把高频电信号通过能量转换为可以直接检测的电信号）+功率指示器（信号放大、变换和显示器）,1.双负载量热式功率计（中小功率的国家计量标准）,热电堆+量热体A、B热电势量热体内有吸收微波功率的全匹配（无反射）负载量热体A交替加直流和微波功率，产生相同的热电势,目前能获得最高准确度的方法之一，建立中、小功率的国家计量标准（我国波导测热标准即是采用该方式的功率计）,功率计量,2.测热电阻电桥功率计,功率敏感元件：测热电阻RT（接入传输线内吸收微波功率）第1次不加高频功率调平衡：I1第2次加高频功率再调平衡：I2,对温度敏感，uW或mW功率测量,该电桥虽能进行功率测量，但是由于两次平衡都是手动操作，因此费时费力。,功率计量,自动平衡测辐射热器电桥,a是桥臂比，电桥的失衡电压e1用作伺服反馈放大器的输入。放大器A的输出电压E0用于激励测辐射热器电桥。当放大器的增益足够高时，电桥将接近于理想的平衡状态。,功率计量,3.微量热计量热式准确度高，但测量时间长，对环境条件要求高测热电阻式功率计响应快、长期稳定性好结合二者优点微量热计微波功率=测热电阻消耗功率+量热体A吸收功率,测量10mW以下的功率，具有0.5%的精度，频率范围可达6GHz左右,功率传递标准,建立微波功率的目的，是为了保证功率量值的准确和一致。因此，要把最高功率标准的量值传递到各级计量部门使用的功率计上，这是计量工作的一个重要任务。,“功率传递标准”是功率量值传递的重要工具。其准确度高于用于实验室的“参考功率标准”的准确度。“参考功率标准”具有良好的计量性能和长期稳定性，并能承受频繁的重复测量和长途运输。,功率计量,功率传递标准,功率指示器,功率座,定向耦合器（功分器）,功率计量,校准过程（确定校准因子）,信号源,稳幅放大器,电源衰减器,功率指示器,功率座,定向耦合器或功分器,标准功率座,标准功率指示器,传递标准,Pbc,Pbs,Ks,Kc,3.4衰减计量,表征高频和微波器件传输特性的参量包括衰减量、效率、电压传输系数、损耗等。衰减计量是无线电计量的基本参数之一，它表征了无线电信号的幅度在传输过程中减弱的程度，是各种传输线、电子元器件、电子设备及系统的传输特性。,衰减是指在理想匹配的系统中插入被测件(传输网络)时，被测件的入射功率与出射功率之比，常用对数表示，单位dB。,衰减器,耦合度、方向性、插入损耗、衰减量、增益、变频损耗等都属于衰减的测量范畴。,1、概念：,电阻式衰减器（电阻式）T型电阻式衰减器、型电阻式衰减器、平衡式电阻衰减器、薄膜电阻式衰减器、步进式电阻衰减器波导截止式衰减器（截止式）感应分压式衰减器（电感式）回转式衰减器（回转式）波导吸收式衰减器（吸收式）PIN电调衰减器（电调式）,2、标准衰减器分类：,射频（高频）替代法串联射频替代法、并联射频替代法中频替代法低频替代法功率比法扫频法信号幅度倍增法时间间隔比法,3、衰减计量方法：,射频替代法（高频替代法）,将被测衰减量在同频率上的标准衰减器的衰减量进行比较的方法。可分为串联射频替代法和并联射频替代法两种。,串联射频替代法,并联射频替代法,由于被测衰减器与标准衰减器并联，只要每次调到指示不变，则被测衰减增量可由标准衰减器增量代替。,中国计量院的30MHz截止式衰减器国家标准。量值传递量程100dB，在100dB不确定度210-4，80dB不确定度110-4。,两种方法优缺点：优点：量程大，可达130140dB。缺点：必须具有与被测件同频率的标准衰减器。射频替代法没有现成的校准装置，必须自己组建校准系统,中频替代法将微波频率与本振混频后降到中频，用中频衰减器替代,串联中频替代法,并联中频替代法,低频替代法将微波频率降到低频范围进行测量,功率比法衰减是以功率比定义的，一种最基本的方法。,被测件未插入时P1,被测件插入后P2,衰减：A=10lg(P1/P2),信号源,隔离器,被测件,隔离器,功率计,单功率计法,优点：简单、方便、易实现缺点：易受信号源幅度不稳定的影响，同时对功率计准确度要求较高，要保证功率计非线性误差0.02dB，则测量范围只有1520dB,双通道功率计法,信号源,隔离器,被测件,直流零值检测器,定向耦合器,定向耦合器,负载,功率计1,功率计2,感应分压器,被测件未插入时功率计2输入功率P1,被测件插入后功率计2输入功率P2,前后两次调节感应分压器平衡指示,若两次分压比D1、D2，则A=10lg(P1/P2)=10lg(D1/D2),减小了信号源幅度不稳定的影响，分辨率高，适合小衰减测量,扫频法可连续展示被测件在宽频带上的衰减频率特性，快速直观，是一种重要的测量方法。,可采用高频替代、低频替代等，通过扫频观察衰减随频率的变化,缺点：不确定度比点频大，测量范围较小（2030dB）。,稳幅电路：减小信号源输出功率的变化直流对数放大器：保证可直接在示波器上观察衰减,信号幅度倍增法,优点：不需要标准衰减器；缺点：不能校准任意衰减量，步进6.0206dB,时间间隔比法国内还未见应用,PIN调制器：调制信号为脉冲宽度不变、脉冲频率可变的脉冲信号,微波信号PIN调制器功率计,脉冲频率越高，微波信号加到功率座上的时间越长，功率也越大,则A=10lg(P1/P2)=10lg(f1/f2),双通道方式减小信号源不稳定性,优点：准确度高；缺点：功率座非线性，量程不大，30dB内误差0.001dB/10dB,3.5阻抗计量,阻抗的有源和无源定义有源定义：电压对电流的比值。适合实际计量。无源定义：根据元件的电磁特性、几何形状及周围电磁特性计量出来。适用于建立计量标准。集总参数和分布参数阻抗频率低，电路元件尺寸与波长相比很小。元件阻抗、Q值、介电常数、介质损耗角正切等参量称为集总参数阻抗参量。频率高，电路元件尺寸接近波长的1/4时，所有元件必须看成均匀分布于电路各点，用分布参数的概念描述,特性阻抗,定义：在分布参数电路中，传输线上入射波电压与入射波电流之比，或反射波电压与反射波电流之比的负值,将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗，就称之为传输线的特性阻抗,反射系数,定义：传输线上任一点的反射系数定义为该点反射波电压与入射波电压之比。,集总参数阻抗标准容抗作为参考量，由容器几何尺寸和空气介电常数计算。通过直接比较和校准技术，可把量值传递到集总参数阻抗的各种工作标准器上。,空气介质活塞式电容器（同轴空气介质传输线）,容量：,圆筒电极,集总参数阻抗标准和计量,集总参数阻抗计量伏安法、电桥法、谐振法、矢量阻抗法。伏安法适合低频与音频，精度低。电桥法适合音频、高频甚至超高频，精度高。谐振法利用被测阻抗与已知元件组成谐振回路的谐振特性，适合高频和超高频（精度不高，结构简单）。计量仪器：Q表（谐振法）、LRC表、高频阻抗分析仪等,微波阻抗标准,微波阻抗标准和计量,微波频段的测量中，不是直接测量阻抗，而是反射系数或驻波比，微波阻抗标准器实质为反射系数或驻波标准器。,反射系数和驻波比是无量纲的量，只有对于给定的特性阻抗，才能代表某一特定的阻抗值。,主要指同轴线和标准波导。,特性阻抗标准：同轴系统中无介质支撑的刚性空气介质标准同轴线（一段标准空气线，由填充空气介质的一段同轴传输线构成）,/4短路器（反射系数标准器）：短路板和1/4波长传输线构成。由于其反射系数可根据几何尺寸和电导率计算并直接测定，在微波阻抗计量中常作为阻抗标准（一级标准）。,标准负载（反射系数标准器）：在给定的同轴或波导中产生确定的反射系数。无反射标准负载、失配标准负载、大反射标准负载。作为传递或工作标准。,微波阻抗计量开槽线、反射计（测反射系数）、标量网络分析仪（反射系数和S参数幅值）、矢量网络分析仪（S参数幅值和相位）。,原理：探针在波导槽内滑动，测量电场，计算反射系数和电压驻波比等特性参数,测量原理：,优点：设备简单，使用方便缺点：受到开槽线本身、探针加载等固有缺陷的制约，使其测量准确度受到限制。适用于测量10以下的中小驻波比的测量,通过直接比较和校准技术，可把量值传递到集总参数阻抗的各种工作标准器上。,噪声特性是决定接收系统灵敏度和测试分辨率的重要指标噪声计量本质是极其微弱的电波能量的计量,噪声功率谱密度随机性功率按频率的谱分布连续噪声功率谱密度表示单位带宽内的噪声功率（W/Hz）噪声温度电子器件和设备实际噪声功率按W/Hz表示通常在10-18-10-23量级，使用不方便，引入噪声温度等效单位。表示噪声源(热源噪声管射电源接收机系统或其他有源多端网络)所发出的噪声功率的量度。等效于电阻在与这个噪声源相同的带宽内给出相同的功率时所具有的绝对温度。某有源二端网络的噪声功率谱密度为Wn，用一个等效电阻在温度Te时所产生的噪声功率谱密度表示：Wn=kTe或Te=Wn/kk波尔兹曼常数，1.3810-23J/KTe=290K时称为标准噪声温度,3.6噪声计量,超噪比（ENR）指噪声发生器的等效输出噪声温度相对于标准室温（T0=290K）的关系。,噪声系数表示有源多端口网络输出信噪比S0/N0比其输入信噪比Si/Ni减小或变坏的倍数。,标准噪声源在一定频率范围产生确定功率谱密度噪声信号的仪器。处于绝对零度以上的某一热平衡状态下的有耗元件都能辐射的热噪声，在整个无限电频谱范围具有均匀的功率谱密度。长度足够的理想无损耗传输线，终端接匹配负载时可以模拟理想噪声源。终端匹配负载